李 维， 刘本洪 ， 刘 蕾， 张 怡， 杨 春， 唐 亚

（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）

快速的城市化、工业化使大量污水未经处理排入河流，导致水质严重恶化，河流出现季节性甚至终年黑臭现象［1］.水体黑臭的原因是大量污染物进入水体，消耗了大量溶解氧，使水体呈缺氧或厌氧状态，在微生物的作用下，产生NH3、H2S、硫醚类化合物等致臭物质以及FeS、MnS 等致黑物质.水体黑臭不仅使水生态系统中微生物、植物、动物大量死亡，生态系统结构严重失衡，还严重影响人们的日常生活.2007年，无锡贡湖因水体黑臭导致70%的水厂停工，约200万人的生活饮用水无法得到保障［2］.

目前，全国认定的2 869个黑臭水体中已有2 313个黑臭水体完成整治［3］.根据“水十条”中2020 年将黑臭水体控制在10%的目标，我国正处于黑臭水体治理的攻坚阶段，仍然有大量的黑臭水体需要进行治理.广泛存在的黑臭水体带来了严峻的环境问题、社会问题，而目前尚缺乏高效经济修复黑臭水体的技术.

治理黑臭水体的方法有物理方法、化学方法和生物方法［4］.物理方法主要包括截污分流、底泥疏浚、曝气复氧以及引水冲污等.化学方法主要通过向水体中添加絮凝剂或者氧化剂等化学药剂，从而实现污染物的去除，该方法虽然能快速降低水质指标，但是化学药剂可能会对水生生物产生毒害作用.生物方法包括动物法、植物法和微生物法［5］.植物法在净化水体时，还能起到美化环境的作用，但净化效率受季节影响较大.微生物法因高效、无二次污染被广泛使用.黑臭水体成因复杂，单一技术往往无法达到理想的效果，在实际应用中往往采用组合技术治理黑臭水体.

本项目以位于四川省广元市经济技术开发区王家营工业园的王家沟黑臭水体为对象，运用SCEU强化环保生态方法对其进行修复，研究在不清淤疏浚的条件下，消除水体黑臭，恢复河流的自净能力，使达标水质得到长期保持.

1 材料和方法

1.1 治理河段介绍王家沟位于四川省广元经济技术开发区王家营工业园.王家沟黑臭河道治理长度约为850 m，河道上下游的宽度约为31 m，中间逐渐变窄为25 m，蓄水量约为20 000 m3.王家沟的主要功能为泄洪，河道通过涵洞与嘉陵江相连，为嘉陵江的一条支流.

未修复前，王家沟河水呈黑色，散发刺鼻的臭味；虽为泄洪通道，但是由于日常行洪阀门关闭，河水流速缓慢，水动力条件差；河道两岸和底部均硬质化，为典型的三面光河流，河岸倾角为25° ～30°，无植被生长，河流生态系统被严重破坏.

2018 年3 月对治理前王家沟水质进行检测，整条河段均未达到地表水Ⅴ类水标准，属于劣Ⅴ类水，检测结果如表1.

表1 王家沟治理前水质情况（2018 年3 月）Tab. 1 Water quality before treatment in Wangjiagou River（March，2018） mg/L

1.2 王家沟污染成因调查1）王家沟未进行有效截污.上游居民生活污水、畜禽养殖废水、初期雨水均直接进入河内.王家沟所在的王家营工业园内工矿企业废水的跑冒滴漏也是造成王家沟黑臭的重要原因.

2）底泥污染严重.大量污染物在物理、化学、生物作用下沉积在水体底部，形成高负荷的内源污染.底泥不断向上覆水中释放污染物，影响王家沟水质.

3）河流自净能力差.王家沟为三面光河流，硬质河岸不仅破坏了河岸生态系统，还阻断了河流与土壤间的水力联系，导致水环境容量减小，河流自我修复能力差.泄洪阀门关闭时，王家沟水体流动缓慢，水动力条件差，污染物无法及时被稀释扩散，在河道滞留时间长.

1.3 修复河流生态系统的SCEU强化环保生态方法SCEU强化环保生态方法秉持“一水一策”的治水理念，不固化治水方案.根据王家沟污染原因，选取硬质河堤驳岸生态重建、微生物菌剂与云膜扩繁系统、专用除磷方法、造流复氧系统、滴灌系统和太阳能光伏系统等6项技术用于黑臭水体治理，重建河流生态系统，促使水体恢复自净能力，通过系统中的生产者、消费者、分解者对氮磷等营养物质的利用，降低水中污染物浓度，实现消除黑臭，改善水质的目的.

1.3.1 硬质河堤驳岸生态重建 选用质量分数为30%的膨润土和70%的腐熟污泥组成的护岸专用基料（表2）进行硬质河岸的生态重建.该基料是利用《治理黑臭水体的护岸专用基料》专利技术［6］制备的.直接将其铺设在硬质河岸表面（水上和水下部分均进行铺设），铺设厚度为8 ～30 cm，因基料质地轻，无需其他复杂的固定措施，从河岸顶部到底部，每隔2 m设置横向格挡，防止基料滑落.在铺设好的基料表面混播狗牙根、高羊茅、三叶草和百日菊等植物种子.

表2 在王家沟使用的护岸专用基料的理化性质Tab. 2 Physical and chemical properties of substrate used on the banks of Wangjiagou River

由表2 可知，护岸专用基料阳离子交换量（CEC）高，对污染物的缓冲容量大；养分含量丰富，适宜植物、微生物生长，能快速恢复河岸植被，改善河流景观.基料-植物-微生物组成的系统能够通过吸附、过滤、微生物分解和植物吸收等作用净化黑臭水体，同时能有效拦截面源污染.

1.3.2 微生物菌剂与云膜扩繁系统 从黑臭水体中提取分离能高效去除水中氮磷等污染物的土著微生物，用于制备微生物菌剂.土著微生物对水体环境适应性比外源微生物更强，能更好地发挥降解污染物的作用.2018 年6 月下旬和2018 年7 月中旬，先后向王家沟黑臭水体施加总计10 t微生物菌剂，微生物菌剂直接施入河中，未利用其他机械设备.采用特殊材料作为微生物菌剂的填充载体构成云膜，将其固着在水中，作为微生物的繁育场所，保证微生物的繁殖速率大于或等于其代谢死亡和流失的速率，确保微生物能持续发挥作用.

1.3.3 专用除磷方法 河段调试期间，直接向王家沟黑臭水体中施加1.5 t 专用除磷材料.该除磷材料利用《一种高效去除富营养水体中磷的方法》［7］专利技术制得.除磷材料的主要化学成分为氧化物，难溶于水、质地轻，可长时间在水体中悬浮，高效持久地发挥除磷作用［8］.

1.3.4 造流复氧系统 在王家沟上游、中游和下游分别安装了2 台水车式增氧机，利用太阳能供电，对水体进行曝气，每小时运行3 min.水车式增氧机的另一个重要功能是增加水体流动性，使大量的悬浮物在水流波动过程中相互碰撞凝结，增加颗粒质量使其逐渐沉降.

1.3.5 滴灌系统 在王家沟两岸安装功率为3 kW的水泵2台，在河岸铺设相应的滴灌管道，抽取河水进行滴灌，满足河岸植物的水分需求，同时实现水下与水上部分护岸专用基料的氮磷等营养物质平衡调节.

1.3.6 太阳能光伏系统 在王家沟中游河岸上安装太阳能光伏发电系统，功率为15 kW，配合PLC自动控制程序，实现滴灌系统、造流复氧系统等设备的自动运行，满足增氧机和滴灌水泵的用电需求，降低系统运行成本.

1.4 水质监测2018 年3 月，在治理前对王家沟上、中、下游取水进行分析.2018 年6—11 月为现场实施、系统调试，直至水质改善后进入初期维护阶段.从2018 年6 月起，每月在上、中、下游取水样1次，进行水质分析.2018 年12 月至2019 年1 月，当地市政施工放干河水，未能取水样监测.2019 年2月至2019 年9 月，对河段恢复监测，进入后期维护阶段，每3 个月取样2 次.

监测指标包括 TP、CODMn、TN、NH3- N.此 4个指标的测定方法分别如下：TP 用钼酸铵分光光度法（GB11893—1989），CODMn用高锰酸盐指数法（GB11892—1989），TN用碱性过硫酸钾紫外分光光度法（HJ636—2012），NH3-N 用纳氏试剂分光光度法（HJ535—2009）.

2 结果及分析

2.1 王家沟水质变化2018年3月治理前，王家沟的上游、中游、下游的水质均为劣Ⅴ类水，中游污染最严重（表1）.2018 年6 月，治理项目开始的第一个月，TP、TN、NH3-N、CODMn指标下降明显，仅王家沟中游的TN为劣Ⅴ类.经过2018 年6—7 月的施工调试，黑臭水体被破坏的生态系统快速恢复，生态系统各项功能增强，水体自净能力不断增强.2018 年8月，王家沟河段水质达到地表水Ⅳ类水的标准.2018年9月，经第三方现场水质监测验收，在使用SCEU强化环保生态方法修复后，王家沟黑臭水体的水质由劣Ⅴ类水变为地表水Ⅳ类水.2018 年9 月至2019年9月，对王家沟后期维护过程中的水质进行了连续监测.监测数据表明：王家沟水质稳定，长期保持在地表水Ⅳ类水标准，有时可达地表水Ⅲ类水标准（图1）.

图1 王家沟水质变化Fig. 1 Water quality change in Wangjiagou river

将2018 年8 月的监测数据与治理前（2018年3 月）的数据进行对比分析，发现治理后，王家沟水质 TP、TN、NH3-N、CODMn等指标的去除率均非常高（表 3），TP、TN、NH3-N、CODMn的平均去除率分别达到 90. 33%、81. 35%、94.11%、84.48%.

表3 王家沟治理后水质（2018 年8 月）Tab. 3 Water quality after treatment for Wangjiagou river（August，2018）

2.2 王家沟生态环境与感官变化王家沟治理前（图2）河水呈黑色，散发恶臭，沿河两岸均为硬质河岸，无植被覆盖，河流观感差.经治理后（图3），河水变为浅绿色，臭味消失，河岸被植物覆盖，河岸生态景观恢复.

图2 修复前的王家沟Fig. 2 Wangjiagou river before restoration

图3 修复后的王家沟Fig. 3 Wangjiagou river after restoration

通过监测底泥发现，SCEU 强化环保生态方法对底泥的消解效果显著，在未清淤疏浚的情况下，项目实施1 a后，底泥的厚度削减了近50 cm，且底泥的颜色、气味均得到明显改善.观察发现，河流修复后，吸引了许多鸟类来河边觅食，还有野鸭在河岸筑巢，河流中鱼类数量也大量增加，周边居民纷纷来此垂钓休闲.河段整体呈现出全新的、生机勃勃的面貌，生物多样性增加，生态系统结构稳定，水体生态功能快速恢复并保持强大.

3 讨论

3.1 治理效果黑臭水体不仅导致水生生物大量死亡，还影响公众身心健康，是当前非常突出的水环境问题.本研究利用SCEU强化环保生态方法修复王家沟黑臭水体，3 个月时间内，消除水体黑臭，使水质由劣Ⅴ类水恢复至地表水Ⅳ类水，并且水质在之后的一年时间，仍然保持稳定.说明SCEU 强化环保生态方法对黑臭水体具有良好的修复效果，能实现治理后水质长效保持，与目前一些组合修复技术相比，更能满足黑臭水体长制久清的治理需求.梁滩河真武支流黑臭水体采用生态护岸、曝气复氧、微生物菌剂和悬浮填料4 种技术进行为期2 个月的修复，对 CODMn、NH3-N 和 TP 的去除率仅为38%、16%和27%，且河岸上植物生长效果不好［9］.常德市穿紫河黑臭水体采取生态护岸、曝气复氧以及生态浮床技术进行治理，虽然在河流景观方面取得了不错的修复效果，但是CODMn和TP 未实现全年达标，超标率为5.6%，NH3-N年平均质量浓度高达5. 56 mg/L，水质未能实现长期稳定［10］.SCEU强化环保生态方法不仅实现了水中氮磷等污染物的高效去除，还采用对污染物缓冲能力非常强的护岸专用基料，替代传统生态护岸中利用的普通土壤，增强了河流纳污能力，使达标水质长期稳定，同时河流观感提升，做到水质指标和感官指标共同达标，市民认同度高，得到社会的广泛认可.治理前的王家沟呈黑臭状态，溶解氧低，不适宜鱼类生存；治理后，水体溶解氧上升，河段鱼类数量明显增多，吸引许多人前来钓鱼，且在镜检时发现了大量绿藻类微生物，生物多样性明显增加，河流生态系统更加稳定.

3.2 强化的生态功能常规黑臭水体的生态修复技术主要包括微生物法、植物修复技术、人工湿地及生物操控等［11］，往往只依靠动物、植物或微生物中的一种或两种消除水体中的氮磷等营养物质，方式单一，局限性大.SCEU强化环保生态方法通过生态重建硬质堤岸，投加微生物菌剂等方式迅速重建河流的生态系统，充分利用生态系统中动物、植物、微生物对氮磷等营养物质进行吸收利用，从而降低其在水中的浓度，改善水质，并且在硬质河岸表面使用了大量能够吸附交换水中污染物的护岸专用基料，增大河流的环境容量，河流耐冲击负荷能力增强，有利于水质保持稳定.

研究发现通过鱼类捕食的行为可以控制浮游生物数量，有利于水质改善［12］.投放鱼类治理富营养水体的方式已经在滇池、巢湖以及辛安水库等地进行应用［13-14］，并且取得不错的效果.王家沟在治理过程中并未投放鱼苗，经过治理后，数量显著增加的鱼类对水质也具有一定的改善效果.由此可见，SCEU强化环保生态方法应用后，水体生态系统中由生产者、消费者、分解者构成的能量流动和物质循环链快速恢复，充分发挥了每种生物在生态系统中的作用，同时发挥各种生物形成的生物链的系统功能，使水质能长效保持.

3.3 经济适用性底泥作为黑臭水体的重要内源污染物，在外界的干扰下，底泥再悬浮会向水体中释放大量的污染物，引发水体黑臭［15］.清淤疏浚作为直接降低水中负荷的方式在黑臭水体治理项目中被广泛使用，但清淤疏浚的过程不仅会使大量的污染物进入水体，还会破坏底栖生物的生存环境，导致生物多样性降低［16］，引发新的生态环境问题，且清淤后底泥也存在难处理的问题. SCEU 强化环保生态方法在治理过程中不清淤疏浚，避免了疏浚带来的一系列环境问题，而且减少了资金的投入.

硬质河岸严重破坏了河流的自净能力，但将硬质河岸拆除完全恢复成自然河岸，会影响河岸的稳定性，增加河岸垮塌的风险，而黑臭水体多出现在人口密集的城市区域，因此，通过拆除硬质河岸恢复河流的自净能力是不现实的.本方法在不拆除硬质河岸的情况下，采用护岸专用基料，建立比自然河岸净化能力更强的生态护岸，同时恢复河岸的景观，在进行治理时无需额外占地，仅在现有的硬质河岸上进行处理，更适应目前城市黑臭河道的治理需求.

SCEU强化环保生态方法使原本消耗巨大的治理工程变得简化、经济，不需要大量的机械、人力和漫长的施工期.在后期维护上，因水生态系统恢复健康，水体自净能力增强，维护时亦无需投入大量的人力，只需根据情况投入少量的微生物菌剂.

王家沟黑臭水体治理项目河流长850 m，宽25 ～31 m，采用SCEU强化环保生态方法的项目总投资为140 万元，相比于目前常见的一些治理案例，该方法治理黑臭水体的成本显著降低，且施工工期短，能够很好地适应社会和市场发展需要.

4 结论

本文分析了SCEU 强化环保生态方法对黑臭水体的水质以及生态环境修复效果，得出以下结论：SCEU强化环保生态方法能够快速消除水体黑臭，改善黑臭水体的水质，对 TP、TN、NH3-N 以及CODMn有较好的去除效果.从长期的观察结果来看，利用SCEU强化环保生态方法治理后的黑臭水体，水质长期保持稳定，河流景观恢复，生物多样性增加.SCEU强化环保生态方法无需清淤疏浚，以较低的成本实现了黑臭水体原位修复，为黑臭水体的治理提供一种高效经济的新方法.